基于采样数据的线性切换系统异步切换控制研究

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切换系统是一类重要的混杂系统,因其建模的灵活性被广泛应用于诸如航空发动机系统、约束机器人系统等各种实际工程领域。相比于常规系统,切换系统的稳定性不仅取决于各子系统的特性,还与切换信号有直接关系,故切换系统控制问题的研究要同时考虑控制器及切换信号的设计。近年来,随着计算机技术和数控技术的迅速发展,基于采样数据的离散反馈控制受到越来越多的关注。但切换时间序列与采样时间序列同时存在,增加了切换系统基于采样数据控制设计的复杂性。考虑到系统的控制反馈信号只能在采样点更新,当系统的激活时刻与采样点不一致时,子系统的匹配控制器的延时激活必然引发切换系统的异步控制问题,从而影响闭环系统的稳定性。本文基于多Lyapunov函数理论,针对几类线性切换系统基于采样数据的异步切换控制问题展开研究,主要内容如下:首先,针对一类线性中立切换系统基于采样数据的异步切换问题,提出了一种新的基于采样点分区的边界依赖Lyapunov函数方法。给出了在采样分区反馈控制器作用下闭环切换系统新的指数稳定条件,降低了状态反馈信息的传输,同时给出了保证各子系统具有更紧界的边界依赖平均驻留时间满足的条件。通过选取适当的采样周期和Lyapunov函数的分区数,可得到各子系统对应的分区反馈控制器增益的具体表示,更短的边界依赖平均驻留时间提高了系统切换的灵活性,降低了现有结果的保守性。两个数值例仿真验证了所提方法的有效性及优越性。其次,针对一类具有不可控子系统的线性切换系统的异步切换采样控制问题,提出了一种新的满足最大异步受限的非周期采样机制以及一种基于采样点分区的Lyapunov函数控制方法。借助一种优于传统平均驻留时间的切换规则,得到了保证闭环切换系统全局渐近稳定的充分条件。所提方法不仅打破了现有结果在一个采样周期内最多允许出现一次切换的限制,而且允许基于采样点分区的Lyapunov函数在某些同步运行区间呈递增趋势。另外,最大异步受限的引入避免因采样周期过大引发的异步运行时间过长的弊端,进一步提高了系统的控制性能。基于采样点的分区控制使同步运行时间及系统切换次数具有更紧的界,使切换信号的选取更加自由。数值例仿真比较验证了所提控制方法的有效性及可行性。最后,针对一类线性时滞切换系统的输出反馈异步切换控制问题,提出了一种基于采样点触发的输出反馈触发机制。借助于多Lyapunov函数理论及模型依赖平均驻留时间方法,通过建立系统的指数观测器,给出了保证闭环切换系统指数稳定的充分条件。所提触发机制进一步降低了信息的传输,克服了网络带宽的限制,此外,基于采样点的触发机制避免了单纯事件触发控制可能存在的芝诺行为,也使基于观测器的输出反馈控制得以应用,有效解决状态不可测时的系统控制问题。仿真结果验证了所提控制方法的正确性及有效性。
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